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JP2011170468A - Load control apparatus - Google Patents

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JP2011170468A
JP2011170468A JP2010031846A JP2010031846A JP2011170468A JP 2011170468 A JP2011170468 A JP 2011170468A JP 2010031846 A JP2010031846 A JP 2010031846A JP 2010031846 A JP2010031846 A JP 2010031846A JP 2011170468 A JP2011170468 A JP 2011170468A
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Japan
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unit
load
power supply
main
control device
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Withdrawn
Application number
JP2010031846A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Kishida
貴司 岸田
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Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Electric Works Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a load control apparatus which can suppress a noise terminal voltage level while preventing the apparatus from being increased in size. <P>SOLUTION: The load control apparatus 1A includes: a main switching unit 11 which is serially connected between an AC power supply 2 and a load 3 and controls power supply to the load 3; a rectifier 12; a control part 13; an auxiliary switching unit 17 which controls the power supply to the load 3 when the main switching unit 11 is turned off; and so on. The main switching unit 11 includes a main switching element 11a of a bidirectionally controllable transistor structure. The control part 13 includes a photocoupler 13f which outputs a control signal to a control electrode of the main switching unit 11 and a low-pass filter 13b which controls an input signal to the photocoupler 13f. Since the low-pass filter 13b prolongs a rising time of the input signal to the photocoupler 13f, a load current increases smoothly and switching noise is reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、交流電源と照明装置などの負荷の間に直列に接続される2線式の負荷制御装置に関するものである。   The present invention relates to a two-wire load control device connected in series between a load such as an AC power source and a lighting device.

従来からトライアックやサイリスタなどの無接点スイッチ素子を用いた照明装置用の負荷制御装置が実用化されている。これらの負荷制御装置は、省配線の見地から2線式結線が一般的であり、交流電源と負荷との間に直列に接続される。このように交流電源と負荷との間に直列に接続される負荷制御装置においては、どのようにして自己の回路電源を確保するかが課題となる。   Conventionally, load control devices for lighting devices using contactless switching elements such as triacs and thyristors have been put into practical use. These load control devices generally have a two-wire connection from the viewpoint of reduced wiring, and are connected in series between an AC power source and a load. Thus, in the load control device connected in series between the AC power supply and the load, how to secure its own circuit power supply becomes a problem.

図8に示す第1従来例の負荷制御装置50は、交流電源2と負荷3との間に直列に接続され、主開閉部51と整流部52と制御部53と、制御部53に安定した電力を供給するための第1電源部54と、負荷3への電力停止状態のときに第1電源部54に電力を供給するための第2電源部55と、負荷3への電力供給が行われているときに第1電源部54に電力を供給する第3電源部56と、負荷電流のうち微小電流の通電をおこなう補助開閉部57などによって構成されている。主開閉部51のスイッチ素子51aはトライアックによって構成されている。   The load control device 50 of the first conventional example shown in FIG. 8 is connected in series between the AC power supply 2 and the load 3, and is stable to the main switching unit 51, the rectification unit 52, the control unit 53, and the control unit 53. The first power supply unit 54 for supplying power, the second power supply unit 55 for supplying power to the first power supply unit 54 when the power supply to the load 3 is stopped, and the power supply to the load 3 are performed. The third power source unit 56 supplies power to the first power source unit 54 when it is connected, and an auxiliary opening / closing unit 57 that energizes a minute current in the load current. The switch element 51a of the main opening / closing part 51 is constituted by a triac.

負荷3に電力供給が行われていない負荷制御装置50のオフ状態では、交流電源2から負荷制御装置50に印加される電圧は、整流部52を介して第2電源部55に供給される。第2電源部55は、抵抗とツェナーダイオードで構成された定電圧回路である。このときに負荷3に流れる電流は、負荷3が誤動作しない程度の微小電流であり、制御部53の消費電流は小さく、第2電源部55のインピーダンスは高く維持されるように設定されている。   In the off state of the load control device 50 in which power is not supplied to the load 3, the voltage applied from the AC power supply 2 to the load control device 50 is supplied to the second power supply unit 55 via the rectification unit 52. The second power supply unit 55 is a constant voltage circuit composed of a resistor and a Zener diode. The current flowing through the load 3 at this time is a minute current that does not cause the load 3 to malfunction, the current consumption of the control unit 53 is small, and the impedance of the second power supply unit 55 is set to be kept high.

一方、負荷3への電力供給が行われている負荷制御装置50のオン状態では、制御部53からの制御信号により第3電源部56がオンし、負荷制御装置50のインピーダンスが低下して負荷3に流れる電流量が増加するとともに、第3で電源部56に流れる電流は第1電源部54にも流れ、バッファコンデンサ54aの充電を開始する。バッファコンデンサ54aの充電電圧が所定のしきい値よりも高くなると、第3電源部56を構成するツェナーダイオード56aがブレークダウンして電流が流れ始め、補助開閉部57のゲートに電流が流れこみ、補助開閉部57が導通する(閉状態)。その結果、整流部52から第3電源部56に流れていた電流は、補助開閉部57に転流し、さらに主開閉部51のスイッチ素子51aのゲートに流れ込み、主開閉部51が導通する(閉状態)。そのため、負荷3に対してほぼすべての電力が供給される。一旦、主開閉部51が導通する(閉状態)と電流を流し続けるが、交流電流がゼロクロス点に達したときにスイッチ素子51aは自己消弧し、主開閉部51が非導通(開状態)になる。主開閉部51が非導通(開状態)になると、再び整流部52から第3電源部56を経て第1電源部54に電流が流れ、負荷制御装置50の自己回路電源を確保する動作を行う。すなわち、交流の1/2周期毎に、負荷制御装置50の自己電源確保、補助開閉部57の導通及び主開閉部51の導通動作が繰り返される。   On the other hand, in the ON state of the load control device 50 in which power supply to the load 3 is performed, the third power supply unit 56 is turned on by the control signal from the control unit 53, and the impedance of the load control device 50 is lowered to reduce the load. 3 and the current flowing in the third power supply unit 56 also flows in the first power supply unit 54, and charging of the buffer capacitor 54a is started. When the charging voltage of the buffer capacitor 54a becomes higher than a predetermined threshold value, the Zener diode 56a constituting the third power supply unit 56 breaks down and current starts to flow, and current flows into the gate of the auxiliary switching unit 57, The auxiliary opening / closing part 57 conducts (closed state). As a result, the current flowing from the rectifying unit 52 to the third power supply unit 56 is commutated to the auxiliary opening / closing unit 57 and further flows into the gate of the switch element 51a of the main opening / closing unit 51, and the main opening / closing unit 51 becomes conductive (closed). Status). Therefore, almost all electric power is supplied to the load 3. Once the main opening / closing part 51 becomes conductive (closed state), the current continues to flow. However, when the alternating current reaches the zero cross point, the switch element 51a self-extinguishes and the main opening / closing part 51 becomes non-conductive (open state). become. When the main opening / closing part 51 becomes non-conductive (open state), a current flows again from the rectifying part 52 through the third power supply part 56 to the first power supply part 54, and the operation for securing the self-circuit power supply of the load control device 50 is performed. . That is, the self-power supply of the load control device 50, the conduction of the auxiliary opening / closing part 57, and the conduction operation of the main opening / closing part 51 are repeated every half cycle of the alternating current.

上述した第1従来例の負荷制御装置とは別の第2従来例の技術として、特許文献1には、第1のスイッチ部(主開閉部)と、この第1のスイッチ素子よりオン抵抗の大きい第2のスイッチ部を設けた負荷制御装置が示されている(同文献1の図1参照)。この負荷制御装置においては、第2スイッチ部をオンさせた後第1スイッチ部をオンさせるように構成されている。   As a technique of the second conventional example different from the load control device of the first conventional example described above, Patent Document 1 discloses a first switch unit (main opening / closing unit) and an on-resistance that is higher than that of the first switch element. A load control device provided with a large second switch section is shown (see FIG. 1 of the document 1). This load control device is configured to turn on the first switch part after turning on the second switch part.

特開2006−92859号公報JP 2006-92859 A

上述のように、第1従来例の負荷制御装置のように、主開閉部のスイッチ素子がトライアックやサイリスタの場合、オンするときに負荷への電流供給が増える。オフ状態からオン状態へ推移する(ターンオン)時のトライアックの導通インピーダンス変化は不連続的であり (トライアックやサイリスタのターンオン動作はラッチ動作である)、言い換えるとトライアックのスイッチングが急峻であるため、本質的に負荷電流の単位時間当たりの変化率が増えることは避けられない。そのため、外部接続端子4,5から外部に漏洩する雑音端子電圧が増大してしまう。   As described above, when the switch element of the main switching unit is a triac or thyristor as in the load control device of the first conventional example, the current supply to the load increases when the switch element is turned on. The change in the conduction impedance of the TRIAC during the transition from the OFF state to the ON state (turn-on) is discontinuous (triac and thyristor turn-on operation is a latch operation). In other words, the switching of the TRIAC is steep, Therefore, it is inevitable that the rate of change of load current per unit time increases. For this reason, the noise terminal voltage leaking to the outside from the external connection terminals 4 and 5 increases.

雑音端子電圧レベルを例えばIEC(International Electrotechnical Commission)規格等で規定されている範囲内に収めるため、第1従来例では図8に示すようにトライアック51aと外部接続端子4,5との間にノイズフィルタ58が設けられていた。ノイズフィルタ58は、負荷3への電力供給を停止する際に、電源2から伝播されるノイズによる誤動作を防止する機能も有している。ノイズフィルタ58は、例えば外部接続端子4,5との間に接続されるコンデンサと、主開閉部51のトライアック51aとコンデンサとの間に接続されるコイルなどによって構成される。従って、雑音端子電圧レベルを抑制するために実装されるコンデンサ及びコイルなどによって、負荷制御装置50が大型化してしまうという問題があった。また、コイルの発熱が大きいことも負荷制御装置50の小型化を阻む要因となっている。   In order to keep the noise terminal voltage level within a range defined by, for example, the IEC (International Electrotechnical Commission) standard, noise is generated between the triac 51a and the external connection terminals 4 and 5 as shown in FIG. A filter 58 was provided. The noise filter 58 also has a function of preventing malfunction due to noise propagated from the power supply 2 when the power supply to the load 3 is stopped. The noise filter 58 includes, for example, a capacitor connected between the external connection terminals 4 and 5 and a coil connected between the triac 51a of the main opening / closing part 51 and the capacitor. Accordingly, there is a problem that the load control device 50 is increased in size due to a capacitor and a coil mounted to suppress the noise terminal voltage level. Further, the large heat generation of the coil is a factor that prevents the load control device 50 from being downsized.

一方、上記特許文献1に示されている第2従来例の負荷制御装置にあっては、スイッチ素子の数の増大に伴い、回路構成が複雑になると共に、スイッチオンのタイミングの制御が複雑になる。   On the other hand, in the load control device of the second conventional example shown in Patent Document 1, the circuit configuration becomes complicated as the number of switch elements increases, and the switch-on timing control becomes complicated. Become.

本発明は、上記従来例の課題を解決するためになされたものであり、装置の大型化を抑制しつつ、雑音端子電圧レベルを抑制できる負荷制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the conventional example, and an object of the present invention is to provide a load control device capable of suppressing a noise terminal voltage level while suppressing an increase in size of the device.

上記目的を達成するために請求項1の発明は、外部に接続された負荷への電流供給回路を制御する負荷制御装置であり、トランジスタ構造のスイッチ素子を有し、負荷に対して電源の供給を制御する主開閉部と、前記主開閉部における両端電圧を整流する整流部と、サイリスタ構造のスイッチ素子を有し、前記主開閉部が非導通のときに負荷に対して電源の供給を制御する補助開閉部と、前記主開閉部及び前記補助開閉部の開閉を制御する制御部と、前記主開閉部の両端から前記整流部を介して電力供給され、前記制御部に安定した電圧を供給する第1電源部と、前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、負荷への電力供給を停止しているときに、前記第1電源部への電源を供給する第2電源部と、前記主開閉部又は前記補助開閉部が閉状態で、負荷への電力供給を行っているときに、前記第1電源部への電源を供給する第3電源部を備えた負荷制御装置において、前記主開閉部のスイッチ素子は双方向制御可能なトランジスタ素子で構成され、前記制御部は、前記主開閉部の制御電極に制御信号を出力する光絶縁素子と、前記光絶縁素子に入力される信号を制御するローパスフィルタとを有し、前記ローパスフィルタを通って入力される信号に応じて前記光絶縁素子の出力側を導通又は遮断動作させることにより、前記主開閉部の制御電極に出力する制御信号をオン又はオフに制御することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a load control device for controlling a current supply circuit to an externally connected load, has a transistor-structure switch element, and supplies power to the load. A main switching unit that controls the voltage, a rectifying unit that rectifies the voltage across the main switching unit, and a thyristor-type switching element, and controls the supply of power to the load when the main switching unit is non-conductive Auxiliary opening and closing unit, a control unit for controlling the opening and closing of the main opening and closing unit and the auxiliary opening and closing unit, power is supplied from both ends of the main opening and closing unit via the rectifying unit, and a stable voltage is supplied to the control unit And a second power supply for supplying power to the first power supply unit when power is supplied to the load from both ends of the main opening / closing unit via the rectification unit. And the main opening / closing part or the auxiliary opening In a load control device including a third power supply unit that supplies power to the first power supply unit when the unit is in a closed state and supplying power to the load, both of the switch elements of the main switching unit are The control unit includes a photo-isolating element that outputs a control signal to the control electrode of the main switching unit, and a low-pass filter that controls a signal input to the photo-isolating element. Then, the control signal output to the control electrode of the main opening / closing part is controlled to be turned on or off by conducting or blocking the output side of the optical insulating element according to the signal input through the low-pass filter. It is characterized by that.

請求項2の発明は、請求項1に記載の負荷制御装置において、前記トランジスタ素子は、横型のトランジスタ構造で構成され、前記交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続される第1電極及び第2電極と、前記第1電極及び第2電極の間に配置される制御電極を有し、前記光絶縁素子から前記制御電極に制御信号が出力されることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the load control device according to the first aspect, the transistor element has a lateral transistor structure, and a first electrode and a first electrode connected in series to the AC power source and the load, respectively. And a control electrode disposed between the first electrode and the second electrode, and a control signal is output from the optical insulating element to the control electrode.

請求項3の発明は、請求項2に記載の負荷制御装置において、前記制御電極及び光絶縁素子は2系統設けられ、単一のローパスフィルタから前記2系統の光絶縁素子に同一の信号が入力されることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the load control device according to the second aspect, the control electrode and the optical isolation element are provided in two systems, and the same signal is input to the optical isolation elements of the two systems from a single low-pass filter. It is characterized by being.

請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記光絶縁素子は、トランジスタ出力型の素子によって構成されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the load control device according to any one of the first to third aspects, the optical insulating element is formed of a transistor output type element.

請求項5の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記光絶縁素子は、MOSFET出力型の素子によって構成されていることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the load control device according to any one of the first to third aspects, the optical insulating element is configured by a MOSFET output type element.

請求項1の発明によれば、光絶縁素子により制御部と主開閉部の制御電極を絶縁できるので、制御部の駆動電圧・電流からなる駆動エネルギーを主開閉部を構成するトランジスタ素子の容量に依らず最小限度に設定することが可能になる。ローパスフィルタによって
光絶縁素子の入力側信号を制御することで、主開閉部のトランジスタ素子の導通インピーダンスを連続的に変化させることが可能となり、負荷電流の時間当たりの変化率(di/dt)を低減することができる。これにより、トランジスタ素子の制御電極の直前にコイルなどの必要以上に大きな部品の追加を必要とすることなく、電流変化に起因する雑音端子電圧の低減を図ることができる。
According to the first aspect of the present invention, since the control electrode of the control unit and the main switching unit can be insulated by the optical isolation element, the driving energy consisting of the driving voltage and current of the control unit is used as the capacity of the transistor element constituting the main switching unit. It is possible to set it to the minimum without depending on it. By controlling the signal on the input side of the optical insulating element by the low-pass filter, it becomes possible to continuously change the conduction impedance of the transistor element of the main switching part, and the rate of change (di / dt) per hour of the load current can be obtained. Can be reduced. As a result, it is possible to reduce the noise terminal voltage caused by the current change without requiring the addition of a larger part than the necessity such as a coil immediately before the control electrode of the transistor element.

請求項2の発明によれば、主開閉部のトランジスタ素子が横型のトランジスタ構造で構成されているので、1チップに集積することも可能で、制御部によって高電圧の交流電源を直接制御することができる。   According to the second aspect of the present invention, since the transistor element of the main opening / closing part is formed of a lateral transistor structure, it can be integrated on a single chip, and the high voltage AC power supply can be directly controlled by the control part. Can do.

請求項3の発明によれば、単一のローパスフィルタから2系統の光絶縁素子に同一の信号が入力されるので、主開閉部の2系統のゲートの駆動タイミングが同時となるように設定することができる。   According to the third aspect of the present invention, since the same signal is input to the two systems of optical isolation elements from a single low-pass filter, the drive timings of the two systems of gates of the main switching unit are set to be the same. be able to.

請求項4の発明によれば、光絶縁素子の出力側がトランジスタ素子であることから、入力電流を低減することで、光絶縁素子のスイッチング時間のターンオン時間だけを長くしつつ、一方のターンオフ時間を殆ど変化させないように設定することが可能になる。従って、主開閉部のターンオン時の負荷電流の単位時間当たりの変化率を低減し、雑音端子電圧レベルの低減に寄与しつつ、主開閉部の遮断時に遅延なく動作して交流電圧の次の半周期にずれ込むことがない。   According to the invention of claim 4, since the output side of the photo-insulating element is a transistor element, reducing the input current makes it possible to increase only the turn-on time of the switching time of the photo-isolating element, while reducing the one turn-off time. It is possible to set so as to hardly change. Therefore, the rate of change per unit time of the load current when the main switching unit is turned on is reduced, contributing to the reduction of the noise terminal voltage level, while operating without delay when the main switching unit is shut off, and the next half of the AC voltage. There is no deviation from the cycle.

請求項5の発明によれば、光絶縁素子の出力側がMOSFETであることから、入力電流を低減することで、光絶縁素子のスイッチング時間のターンオン時間だけを遅くしつつ、一方のターンオフ時間を殆ど変化させないように設定することが可能になる。従って、主開閉部のターンオン時の負荷電流の変化率を低減し、雑音端子電圧レベルの低減に寄与しつつ、主開閉部の遮断時に遅延なく動作して交流電圧の次の半周期にずれ込むことがない。さらに、MOSFETと主開閉部の制御電極とをバッファ回路を介することなく直接的に接続できるようになり、回路構成を簡素化して部品点数を減らすことが可能となる。   According to the invention of claim 5, since the output side of the optical isolation element is a MOSFET, by reducing the input current, only the turn-on time of the switching time of the optical isolation element is delayed, and the one turn-off time is almost reduced. It can be set not to change. Therefore, the rate of change of the load current when the main switching unit is turned on is reduced, contributing to the reduction of the noise terminal voltage level, and operating without delay when the main switching unit is shut off, shifting to the next half cycle of the AC voltage There is no. Furthermore, the MOSFET and the control electrode of the main switching unit can be directly connected without using a buffer circuit, and the circuit configuration can be simplified and the number of parts can be reduced.

本発明の第1実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the load control apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 同装置の各部における信号波形を示すタイムチャート。The time chart which shows the signal waveform in each part of the apparatus. フォトカプラの入力側回路の発光ダイオードに流れる順電流とスイッチング時間との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the forward current which flows into the light emitting diode of the input side circuit of a photocoupler, and switching time. 本発明の第1実施形態に係る負荷制御装置の変形例の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the modification of the load control apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る負荷制御装置の別の変形例の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of another modification of the load control apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the load control apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態及び第2実施形態に係る負荷制御装置に適用される双方向トランジスタ素子の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the bidirectional | two-way transistor element applied to the load control apparatus which concerns on 1st Embodiment and 2nd Embodiment of this invention. 第1従来例の負荷制御装置の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the load control apparatus of a 1st prior art example.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る負荷制御装置について図面を参照して説明する。図1は負荷制御装置1Aの構成を示している。負荷制御装置1Aは、交流電源2と負荷3との間に直列に接続され、負荷3に対して電源の供給を制御する主開閉部11と、整流部12と、負荷制御装置1A全体を制御する制御部13と、制御部13に安定した電源を供給するための第1電源部14と、負荷3への電力停止状態のときに第1電源部14へ電力を供給する第2電源部15と、負荷3への電力供給が行われているときに第1電源部14へ電力を供給する第3電源部16と、負荷電流のうち微小電流の通電を行う補助開閉部17とを備え構成されている。負荷制御装置1Aと交流電源2及び負荷3とは、外部接続端子4、5を介して接続されている。第3電源部16には、第3電源部16に入力される電圧を検出する電圧検出部18が設けられている。主開閉部11は、トランジスタ構造の主スイッチ素子11aを有し(図7参照)、補助開閉部17は、サイリスタ構造の補助スイッチ素子17aを有している。第1電源部14は、負荷3への電力停止状態のときに制御部13に供給する電荷をチャージするためのバッファコンデンサ14aを有している。
(First embodiment)
A load control device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of the load control device 1A. The load control device 1A is connected in series between the AC power supply 2 and the load 3, and controls the main switching unit 11, the rectification unit 12, and the entire load control device 1A that control the supply of power to the load 3. A control unit 13 that performs power supply, a first power supply unit 14 that supplies stable power to the control unit 13, and a second power supply unit 15 that supplies power to the first power supply unit 14 when power to the load 3 is stopped. And a third power source unit 16 that supplies power to the first power source unit 14 when power is supplied to the load 3, and an auxiliary opening / closing unit 17 that energizes a minute current out of the load current. Has been. The load control device 1 </ b> A, the AC power supply 2, and the load 3 are connected via external connection terminals 4 and 5. The third power supply unit 16 is provided with a voltage detection unit 18 that detects a voltage input to the third power supply unit 16. The main opening / closing part 11 has a main switch element 11a having a transistor structure (see FIG. 7), and the auxiliary opening / closing part 17 has an auxiliary switch element 17a having a thyristor structure. The first power supply unit 14 has a buffer capacitor 14 a for charging the electric charge supplied to the control unit 13 when the power to the load 3 is stopped.

制御部13には、CPUなどで構成された主制御部13eと、第1パルス出力部13cと、第2パルス出力部13dと、ローパスフィルタ13bと、光MOSリレー13a(図6参照)又はフォトカプラ13fなどの光絶縁素子と、フォトカプラ13fに組み合わされるバッファ回路13gが設けられている。主制御部13eは、第1パルス出力部13c及び第2パルス出力部13dに制御信号を出力する。ローパスフィルタ13b、フォトカプラ13f及びバッファ回路13gは、主スイッチ素子11aのゲート電極(制御電極)に対応させて2つずつ設けられている。なお、光MOSリレー13aに関しては、後述する第2実施形態において説明する。   The control unit 13 includes a main control unit 13e configured by a CPU, a first pulse output unit 13c, a second pulse output unit 13d, a low-pass filter 13b, an optical MOS relay 13a (see FIG. 6), or a photo An optical insulating element such as a coupler 13f and a buffer circuit 13g combined with the photocoupler 13f are provided. The main control unit 13e outputs a control signal to the first pulse output unit 13c and the second pulse output unit 13d. Two low-pass filters 13b, photocouplers 13f, and buffer circuits 13g are provided in correspondence with the gate electrode (control electrode) of the main switch element 11a. The optical MOS relay 13a will be described in a second embodiment to be described later.

第1パルス出力部13cは、主制御部13eから出力された制御信号を受け、2つのLPF13bに第1パルス信号を出力する。第2パルス出力部13dは、主制御部13eから出力された制御信号を受け、補助スイッチ素子17aに第2パルス信号を出力する。ローパスフィルタ13bは、抵抗RとコンデンサC等によって構成され、第1パルス出力部13cから出力された第1パルス信号の低域周波数のみを通過させることにより、フォトカプラ13fに入力される信号を制御する。フォトカプラ13fの入力側回路にはローパスフィルタ13bが、出力側回路にはバッファ回路13gがそれぞれ接続されている。入力側回路と出力側回路とは電気的に絶縁され、入力側回路に設けられている発光ダイオードから出射された光を出力側回路に設けられているフォトトランジスタが受光することにより、主スイッチ素子11aの制御信号をバッファ回路13gに出力する。フォトカプラ13fから出力された制御信号は、バッファ回路13gを介して緩衝され、主スイッチ素子11aのゲート電極に入力される。   The first pulse output unit 13c receives the control signal output from the main control unit 13e and outputs the first pulse signal to the two LPFs 13b. The second pulse output unit 13d receives the control signal output from the main control unit 13e, and outputs the second pulse signal to the auxiliary switch element 17a. The low-pass filter 13b includes a resistor R, a capacitor C, and the like, and controls a signal input to the photocoupler 13f by passing only the low-frequency of the first pulse signal output from the first pulse output unit 13c. To do. A low-pass filter 13b is connected to the input side circuit of the photocoupler 13f, and a buffer circuit 13g is connected to the output side circuit. The input side circuit and the output side circuit are electrically insulated, and the main switch element is received by the phototransistor provided in the output side circuit receiving the light emitted from the light emitting diode provided in the input side circuit. The control signal 11a is output to the buffer circuit 13g. The control signal output from the photocoupler 13f is buffered via the buffer circuit 13g and input to the gate electrode of the main switch element 11a.

図2は負荷制御装置1Aの各部における信号波形を示すタイムチャートである。制御部13は、交流電源の1/2周期のうち主開閉部11を導通させる主開閉部導通時間を設定し、負荷3に流れる電流を間欠的に制御する。主制御部13eは、電圧検出部18から出力されたバッファコンデンサ14aの充電完了信号を受け、第1パルス出力部13cを制御する。第1パルス出力部13cは、主制御部13eからバッファコンデンサ14aの充電が完了した旨の信号を受けた後、第1所定時間だけ主開閉部11を導通させるよう、第1パルスを出力する。電圧検出部18から第1パルス出力部13cに充電完了信号を直接出力するように構成されていてもよい。すなわち、第1パルスは、電圧検出部18から充電完了信号を受けて立ち上がり、第1所定時間の経過後立ち下がる。第1パルス出力部13cから発せられた信号は、ローパスフィルタ13bを経由してフォトカプラ13fの入力側回路に入力される。フォトカプラ13fの出力側回路から出力された信号は、バッファ回路13gを経由して主スイッチ素子11aのゲート電極に入力される。   FIG. 2 is a time chart showing signal waveforms in each part of the load control device 1A. The control unit 13 sets a main switching unit conduction time during which the main switching unit 11 is conducted in a half cycle of the AC power supply, and intermittently controls the current flowing through the load 3. The main control unit 13e receives the charge completion signal for the buffer capacitor 14a output from the voltage detection unit 18, and controls the first pulse output unit 13c. The first pulse output unit 13c outputs a first pulse so that the main opening / closing unit 11 is turned on only for a first predetermined time after receiving a signal from the main control unit 13e that the charging of the buffer capacitor 14a is completed. The voltage detection unit 18 may be configured to directly output a charge completion signal to the first pulse output unit 13c. That is, the first pulse rises in response to a charge completion signal from the voltage detector 18 and falls after the first predetermined time has elapsed. The signal emitted from the first pulse output unit 13c is input to the input side circuit of the photocoupler 13f via the low pass filter 13b. The signal output from the output side circuit of the photocoupler 13f is input to the gate electrode of the main switch element 11a via the buffer circuit 13g.

第2パルス出力部13dは、主開閉部11が非導通(開状態)になったことを検出してから、第2所定時間だけ補助開閉部17を導通させるように、所定時間の第2パルス信号を出力する。すなわち、第2パルスは、主開閉部11が非導通(開状態)になったときに立ち上がり、第2所定時間の経過後立ち下がる。   The second pulse output unit 13d detects that the main opening / closing unit 11 has become non-conducting (open state), and then the second pulse output unit 13d performs the second pulse for a predetermined time so as to make the auxiliary opening / closing unit 17 conductive for a second predetermined time. Output a signal. That is, the second pulse rises when the main opening / closing part 11 becomes non-conductive (open state) and falls after the second predetermined time has elapsed.

負荷3への電力供給が行われていない負荷制御装置1Aのオフ状態、すなわち主開閉部11が非導通状態においても、電源2から整流部12を介して第2電源部15に電流が流れるため、負荷3にも微小電流が流れているが、その電流は負荷3を誤動作させない程度に低く抑えられており、第2電源部15のインピーダンスが高い値に維持されている。   Since current flows from the power source 2 to the second power source unit 15 via the rectifier unit 12 even when the load control device 1A in which no power is supplied to the load 3 is in the off state, that is, when the main switching unit 11 is non-conductive. Although a minute current flows through the load 3, the current is kept low enough not to cause the load 3 to malfunction, and the impedance of the second power supply unit 15 is maintained at a high value.

負荷3へ電力供給が行われているとき、第3電源部16のインピーダンスを低くし、負荷制御装置1Aの内部の回路側に電流を流し、バッファコンデンサ14aを充電する。上記のように、第3電源部16には、電圧検出部(充電監視部)18が設けられており、第3電源部16に入力される電圧すなわちバッファコンデンサ14aの充電電圧を検出する。バッファコンデンサ14aへの充電が完了すると、第3電源部16を一旦オフとし、主開閉部11の動作と同期して再び第3電源部16のインピーダンスを低くしてオンとする。   When power is being supplied to the load 3, the impedance of the third power supply unit 16 is lowered, a current is passed to the circuit side inside the load control device 1A, and the buffer capacitor 14a is charged. As described above, the third power supply unit 16 is provided with the voltage detection unit (charge monitoring unit) 18 and detects the voltage input to the third power supply unit 16, that is, the charging voltage of the buffer capacitor 14a. When the charging of the buffer capacitor 14 a is completed, the third power supply unit 16 is temporarily turned off, and the impedance of the third power supply unit 16 is lowered again in synchronization with the operation of the main opening / closing unit 11 and turned on.

電圧検出部18は、例えばツェナーダイオードとトランジスタ等によって構成されている。第3電源部16に入力される電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を超えると、トランジスタが導通して制御部13にその旨の検出信号が入力される。通常動作時において、制御部13は、電圧検出部18からの検出信号を受信すると、主開閉部11を第1所定時間導通させる(閉状態にさせる)。図1では、電圧検出部18からの検出信号に応じて、直接的に第1パルス信号を出力するように、専用のICなどを用いてハードウェア的に構成された第1パルス出力部13cを制御部13の一部として設けた構成例を示している。あるいは、図示した構成に限定されず、電圧検出部18からの出力を、CPUなどで構成された主制御部13eに入力し、ソフトウェア的に第1パルス信号を出力するように構成してもよい。主開閉部11を導通させる第1所定時間としては、商用周波数電源の1/2周期よりも少し短い時間にする設定することが好ましい。   The voltage detection unit 18 is configured by, for example, a Zener diode and a transistor. When the voltage input to the third power supply unit 16 exceeds the Zener voltage of the Zener diode, the transistor is turned on and a detection signal to that effect is input to the control unit 13. During the normal operation, when receiving the detection signal from the voltage detection unit 18, the control unit 13 causes the main opening / closing unit 11 to be turned on (closed) for a first predetermined time. In FIG. 1, the first pulse output unit 13 c configured in hardware using a dedicated IC or the like so as to directly output the first pulse signal in accordance with the detection signal from the voltage detection unit 18. The example of a structure provided as a part of control part 13 is shown. Alternatively, the configuration is not limited to the illustrated configuration, and the output from the voltage detection unit 18 may be input to the main control unit 13e configured by a CPU or the like, and the first pulse signal may be output in software. . The first predetermined time for conducting the main opening / closing part 11 is preferably set to a time slightly shorter than a half cycle of the commercial frequency power supply.

次に、上記第1所定時間経過後、主開閉部11が非導通(開状態)になる動作を開始する際、制御部13は、補助開閉部17を第2所定時間(例えば、数百μ秒)だけ導通させる(閉状態にさせる)。この動作は、補助開閉部17が主開閉部11よりも少し遅れて非導通(開状態)になればよい。または、上記主制御部13eから、主開閉部11に対して出力する第1パルス信号よりも第2所定時間分だけ長いパルス信号を補助開閉部17に対して出力するようにしてもよい。あるいは、ダイオードやコンデンサを用いて遅延回路を構成してもよい。   Next, when the main opening / closing part 11 starts an operation of becoming non-conductive (open state) after the first predetermined time has elapsed, the control unit 13 opens the auxiliary opening / closing part 17 for the second predetermined time (for example, several hundred μm). For 2 seconds). For this operation, the auxiliary opening / closing part 17 may be made non-conductive (open state) with a slight delay from the main opening / closing part 11. Alternatively, the main control unit 13e may output a pulse signal to the auxiliary opening / closing unit 17 that is longer than the first pulse signal output to the main opening / closing unit 11 by a second predetermined time. Alternatively, the delay circuit may be configured using a diode or a capacitor.

これらの動作により、バッファコンデンサ14aの充電完了後、商用の交流電源の1/2周期のうち、ほとんどの時間を主開閉部11から負荷3に電力を供給した後、通電電流が少なくなってから、補助開閉部17から負荷3に電力を供給することになる。このとき、電流値が零となる時点(ゼロクロス点)の前に主開閉部11が非導通とされるように第1所定時間が設定されているので、ゼロクロス点を越えて主開閉部11が導通状態とされることはない。なお、補助開閉部17は、サイリスタ構造の補助スイッチ素子17aを有しているので、電流値が零となる時点(ゼロクロス点)で非導通(開状態)となる。補助開閉部17が非導通(開状態)になると、再び第3電源部16に電流が流れ込むため、上記の動作を商用電源の1/2周期毎に繰り返す。   With these operations, after charging of the buffer capacitor 14a is completed, power is supplied to the load 3 from the main switching unit 11 for most of the half period of the commercial AC power supply, and then the energization current decreases. Then, electric power is supplied from the auxiliary opening / closing unit 17 to the load 3. At this time, since the first predetermined time is set so that the main opening / closing part 11 is turned off before the time when the current value becomes zero (zero crossing point), the main opening / closing part 11 exceeds the zero crossing point. There is no conduction. Since the auxiliary opening / closing section 17 includes the auxiliary switch element 17a having a thyristor structure, the auxiliary opening / closing section 17 becomes non-conductive (open state) when the current value becomes zero (zero cross point). When the auxiliary opening / closing part 17 becomes non-conductive (open state), the current again flows into the third power supply part 16, and thus the above operation is repeated every 1/2 cycle of the commercial power supply.

本実施形態においては、第1パルス出力部13cとフォトカプラ13fとの間に介挿されたローパスフィルタ13bによって、フォトカプラ13fに入力される第1パルス信号の立ち上がり時間を長くすることができる。ローパスフィルタ13bにて第1パルス信号の立ち上がり時間が長くなることに伴い、フォトカプラの出力信号の過渡応答時間も長くなる。これにより、主開閉部11の主スイッチ素子11aのターンオン時間も遅く設定することができ、主開閉部11のターンオン時間に係る負荷電流の単位時間当たりの変化量も低減できる。ここで負荷電流とは外部接続端子4から負荷制御装置1Aに流入し、外部接続端子5から流出し、負荷3に流れる電流のことである。なお、電源2は交流電源であるので、周波数で決まる周期の半分相当の時間経過後、極性が変わると、負荷電流は、外部接続端子5から負荷制御装置1Aに流入し、外部接続端子4から流出することになる。   In the present embodiment, the rise time of the first pulse signal input to the photocoupler 13f can be increased by the low-pass filter 13b interposed between the first pulse output unit 13c and the photocoupler 13f. As the rise time of the first pulse signal becomes longer in the low-pass filter 13b, the transient response time of the output signal of the photocoupler also becomes longer. Thereby, the turn-on time of the main switch element 11a of the main switching unit 11 can also be set late, and the amount of change per unit time of the load current related to the turn-on time of the main switching unit 11 can also be reduced. Here, the load current is a current that flows into the load control device 1A from the external connection terminal 4 and flows out of the external connection terminal 5 and flows into the load 3. Since the power source 2 is an AC power source, the load current flows from the external connection terminal 5 into the load control device 1A and changes from the external connection terminal 4 when the polarity changes after the time corresponding to half of the period determined by the frequency has elapsed. It will be leaked.

一般に、主開閉部11のターンオン時には、負荷電流の単位時間当たりの変化率の不連続点が発生し、これが原因となって、電源線(すなわち交流電源2、負荷3、外部接続端子4,5、及び主開閉部11によって構成される回路)に重畳する伝導性ノイズが発生する。本実施形態にあっては、主開閉部11の主スイッチ素子11aがトランジスタ構造であることから、導通インピーダンスを連続的に変化させることが可能となり、負荷電流の単位時間当たりの変化率(di/dt)を低減でき、上述したスイッチングノイズを抑制できる。   In general, when the main switching unit 11 is turned on, a discontinuity point in the rate of change of load current per unit time occurs, and this causes power lines (that is, AC power supply 2, load 3, external connection terminals 4, 5). , And a circuit constituted by the main switching unit 11). In the present embodiment, since the main switch element 11a of the main switching unit 11 has a transistor structure, the conduction impedance can be continuously changed, and the rate of change of load current per unit time (di / dt) can be reduced, and the switching noise described above can be suppressed.

図3は、フォトカプラ13fの入力側回路の発光ダイオードに流れる順電流とスイッチング時間との関係を示している。図3に示すように、フォトカプラ13f及びバッファ回路13gを経由した信号のターンオン時間(主開閉部11の主スイッチ素子11aの制御信号がオフ状態からオン状態に切り替わるのに要する時間)は順電流に対する依存性が高く、順電流が減少するとターンオン時間は大幅に長くなる。一方、フォトカプラ13f及びバッファ回路13gを経由した信号のターンオフ時間(主開閉部11の主スイッチ素子11aの制御信号がオン状態からオフ状態に切り替わるのに要する時間)は順電流に対する依存性が低く、順電流が減少してもターンオフ時間の短縮は僅かに留まる。従って、フォトカプラ13fのスイッチング動作にて開閉制御される主開閉部11の主スイッチ素子11aもターンオン時のスイッチング時間だけを遅く設定することができる。これにより、負荷電流は滑らかに上昇し、ターンオン時に発生するスイッチングノイズは低減されて、負荷制御装置1Aの主開閉部11のスイッチング動作に起因して外部接続端子4,5から外部に漏洩する雑音端子電圧を抑制することが可能となる。また、主スイッチ素子11aのターンオフ時のスイッチング時間は大きく変化しないから、負荷電流の次のゼロクロス点が到来する前に主開閉部11が開状態(非導通状態)になり、補助開閉部17が閉状態(導通状態)になる。その後、負荷電流のゼロクロス点に到達すると、補助開閉部17の補助スイッチ素子17aがサイリスタ構造であるから、サイリスタの消弧作用により補助開閉部17が開状態(非導通状態)になる。さらにゼロクロス点を超えて次の半周期に入ると、再び第3電源部16に電流が流れ込む動作が始まる。このように半周期毎の繰り返し動作を損なうことがない。   FIG. 3 shows the relationship between the forward current flowing in the light emitting diode of the input side circuit of the photocoupler 13f and the switching time. As shown in FIG. 3, the turn-on time of the signal passing through the photocoupler 13f and the buffer circuit 13g (the time required for the control signal of the main switch element 11a of the main switching unit 11 to switch from the off state to the on state) is a forward current. The turn-on time is significantly increased when the forward current is reduced. On the other hand, the turn-off time of the signal that passes through the photocoupler 13f and the buffer circuit 13g (the time required for the control signal of the main switch element 11a of the main switching unit 11 to switch from the on state to the off state) is less dependent on the forward current. Even if the forward current decreases, the turn-off time is only slightly reduced. Therefore, the main switch element 11a of the main switching unit 11 that is controlled to be opened / closed by the switching operation of the photocoupler 13f can also set the switching time at the time of turn-on slower. Thereby, the load current rises smoothly, the switching noise generated at the time of turn-on is reduced, and the noise leaked to the outside from the external connection terminals 4 and 5 due to the switching operation of the main switching unit 11 of the load control device 1A. The terminal voltage can be suppressed. In addition, since the switching time when the main switch element 11a is turned off does not change greatly, before the next zero cross point of the load current arrives, the main switching unit 11 is opened (non-conducting state), and the auxiliary switching unit 17 is Closed state (conducting state). Thereafter, when the zero cross point of the load current is reached, since the auxiliary switch element 17a of the auxiliary switching unit 17 has a thyristor structure, the auxiliary switching unit 17 is opened (non-conducting) by the arc extinguishing action of the thyristor. Further, when the next half cycle is entered beyond the zero cross point, the operation of the current flowing into the third power supply unit 16 starts again. In this way, the repeated operation every half cycle is not impaired.

図4及び図5は、負荷制御装置1Aの変形例を示している。図4に示す負荷制御装置1Bは、2つのフォトカプラ13fの入力側回路が直列に接続されている例、図5に示す負荷制御装置1Cは、2つのフォトカプラ13fの入力側回路が並列に接続されている例でうる。負荷制御装置1B及び負荷制御装置1Cは、共に単一のローパスフィルタ13bから2系統のフォトカプラ13fに同一の信号が出力される。2系統のフォトカプラ13fの出力側回路及びバッファ回路13gなどの構成は、負荷制御装置1Aと同様である。負荷制御装置1B及び負荷制御装置1Cによれば、単一のローパスフィルタ13bから2系統のフォトカプラ13fに同一の信号が入力されるので、主スイッチ素子11aの2系統のゲートの駆動タイミングが同時となるように設定することができる。   4 and 5 show a modification of the load control device 1A. The load control device 1B shown in FIG. 4 is an example in which the input side circuits of two photocouplers 13f are connected in series. The load control device 1C shown in FIG. 5 has the input side circuits of two photocouplers 13f in parallel. This is possible with connected examples. Both the load control device 1B and the load control device 1C output the same signal from the single low-pass filter 13b to the two systems of photocouplers 13f. The configurations of the output side circuit and buffer circuit 13g of the two systems of photocouplers 13f are the same as those of the load control device 1A. According to the load control device 1B and the load control device 1C, since the same signal is input from the single low-pass filter 13b to the two systems of photocouplers 13f, the drive timings of the two systems of gates of the main switch element 11a are simultaneous. Can be set to be

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態に係る負荷制御装置について説明する。図6は負荷制御装置1Dの構成を示している。負荷制御装置1Dは、負荷制御装置1Bにおいて、光絶縁素子としてフォトカプラ13fに変えてMOSFET出力型の光MOSリレー13aが適用され、これに伴い2つのバッファ回路13gが省略されている点で、第1実施形態とは異なっている。光MOSリレー13aは、入力側回路に発光ダイオードを出力側回路にMOSFETを適用した光絶縁素子である。
(Second Embodiment)
A load control device according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows the configuration of the load control device 1D. In the load control device 1D, a MOSFET output type optical MOS relay 13a is applied instead of the photocoupler 13f as an optical insulating element in the load control device 1B, and the two buffer circuits 13g are omitted accordingly. This is different from the first embodiment. The optical MOS relay 13a is an optical insulating element in which a light emitting diode is applied to an input side circuit and a MOSFET is applied to an output side circuit.

光MOSリレー13aは、入力側回路の発光ダイオードに流れる順電流とスイッチング時間との関係において、図3に示したフォトカプラ13f及びバッファ回路13gを経由した信号と同様な傾向を有している。すなわち、光MOSリレー13aのターンオン時間は順電流に対する依存性が高く、順電流が減少するとターンオン時間は大幅に長くなる。一方、光MOSリレー13aのターンオフ時間は順電流に対する依存性が低く、順電流が減少してもターンオフ時間の短縮は僅かに留まる。従って、光MOSリレー13aのスイッチング動作にて開閉制御される主開閉部11の主スイッチ素子11aもターンオン時のスイッチング時間だけを遅く設定することができる。これにより、負荷制御装置1Aの主開閉部11のスイッチング動作に起因する雑音端子電圧を抑制することが可能である。また、主スイッチ素子11aのターンオフ時のスイッチング時間は大きく変化しないから、負荷電流の次のゼロクロス点が到来する前に主開閉部11が開状態(非導通状態)になり、補助開閉部17が閉状態(導通状態)になる。その後、負荷電流のゼロクロス点に到達すると、補助開閉部17の補助スイッチ素子17aがサイリスタ構造であるから、サイリスタの消弧作用により補助開閉部17が開状態(非導通状態)になる。さらにゼロクロス点を超えて次の半周期に入ると、再び第3電源部16に電流が流れ込む動作が始まる。このように半周期毎の繰り返し動作を損なうことがない。また、光MOSリレーと主開閉部11の主スイッチ素子11aのゲート電極とを図3に示したバッファ回路13gを介することなく直接的に接続できるようになり、回路構成を簡素化して部品点数を減らすことが可能となる。   The optical MOS relay 13a has the same tendency as the signal passing through the photocoupler 13f and the buffer circuit 13g shown in FIG. 3 in the relationship between the forward current flowing through the light emitting diode of the input side circuit and the switching time. That is, the turn-on time of the optical MOS relay 13a is highly dependent on the forward current, and when the forward current decreases, the turn-on time becomes significantly longer. On the other hand, the turn-off time of the optical MOS relay 13a has a low dependency on the forward current, and even if the forward current is reduced, the turn-off time is only slightly shortened. Accordingly, the main switch element 11a of the main switching unit 11 that is controlled to be opened and closed by the switching operation of the optical MOS relay 13a can also set the switching time at the time of turn-on slower. Thereby, it is possible to suppress the noise terminal voltage resulting from the switching operation of the main switching unit 11 of the load control device 1A. In addition, since the switching time when the main switch element 11a is turned off does not change greatly, before the next zero cross point of the load current arrives, the main switching unit 11 is opened (non-conducting state), and the auxiliary switching unit 17 is Closed state (conducting state). Thereafter, when the zero cross point of the load current is reached, since the auxiliary switch element 17a of the auxiliary switching unit 17 has a thyristor structure, the auxiliary switching unit 17 is opened (non-conducting) by the arc extinguishing action of the thyristor. Further, when the next half cycle is entered beyond the zero cross point, the operation of the current flowing into the third power supply unit 16 starts again. In this way, the repeated operation every half cycle is not impaired. Also, the optical MOS relay and the gate electrode of the main switch element 11a of the main switching unit 11 can be directly connected without going through the buffer circuit 13g shown in FIG. 3, simplifying the circuit configuration and reducing the number of parts. It becomes possible to reduce.

(横型トランジスタ素子)
以下、上記第1実施形態及び第2実施形態において、主スイッチ素子11aとして適用される双方向制御可能な横型トランジスタ素子について説明する。図7は、双方向制御可能な横型トランジスタ素子の概略構成を示す。このような横型トランジスタ素子は、HFET(Heterostructure Field-Effect Transistor)と称され、チャネル層としてAlGaN/GaNへテロ界面に生じる2次元電子ガス層を利用し、基板の表面には交流電源2及び負荷3に対してそれぞれ直列に接続された第1電極6及び第2電極7とを備える。また、第1電極6と第2電極7に対して、通電オフ時に高耐電圧が維持できるように、第1ゲート電極21と第2ゲート電極22が形成されている。
(Horizontal transistor element)
Hereinafter, a lateral transistor element capable of bidirectional control applied as the main switch element 11a in the first embodiment and the second embodiment will be described. FIG. 7 shows a schematic configuration of a lateral transistor element capable of bidirectional control. Such a lateral transistor element is called an HFET (Heterostructure Field-Effect Transistor), and uses a two-dimensional electron gas layer generated at the AlGaN / GaN hetero interface as a channel layer. 3, a first electrode 6 and a second electrode 7 connected in series to each other. Further, the first gate electrode 21 and the second gate electrode 22 are formed so that a high withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode 6 and the second electrode 7 when energization is turned off.

双方向トランジスタ構造の主スイッチ素子11aはシリコン(Si)からなる基板23の上に窒化アルミニウム(AlN)と窒化ガリウム(GaN)とが交互に積層されてなるバッファ層24が形成され、その上に半導体層積層体25が形成されている。半導体層積層体25は、第1の半導体層と、この第1の半導体層と比べてバンドギャップが大きい第2の半導体層とが基板側から順次積層されている。第1の半導体層は、アンドープの窒化ガリウム(GaN)層26であり、第2の半導体層は、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層27である。GaN層とAlGaN層とのヘテロ界面近傍には、自発分極及びピエゾ分極による電荷が生じる。これにより電子移動度の高い2次元電子ガス(2DEG)層であるチャネル領域が形成されている。   The main switch element 11a having a bidirectional transistor structure has a buffer layer 24 formed by alternately laminating aluminum nitride (AlN) and gallium nitride (GaN) on a substrate 23 made of silicon (Si), on which a buffer layer 24 is formed. A semiconductor layer stack 25 is formed. In the semiconductor layer stack 25, a first semiconductor layer and a second semiconductor layer having a band gap larger than that of the first semiconductor layer are sequentially stacked from the substrate side. The first semiconductor layer is an undoped gallium nitride (GaN) layer 26, and the second semiconductor layer is an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer 27. In the vicinity of the heterointerface between the GaN layer and the AlGaN layer, charges are generated due to spontaneous polarization and piezoelectric polarization. Thereby, a channel region which is a two-dimensional electron gas (2DEG) layer having a high electron mobility is formed.

半導体層積層体25の上には、お互いに距離をおいて第1のオーミック電極28と第2のオーミック電極29とが形成されている。第1のオーミック電極28及び第2のオーミック電極29はチャネル領域とオーミック接合を形成している。図7においては、コンタクト抵抗を低減するために、AlGaN層の一部を除去すると共にGaN層を掘り下げて第1のオーミック電極28及び第2のオーミック電極29がAlGaN層27とGaN層26の界面に接するように形成した形態が示されている。なお、第1のオーミック電極28及び第2のオーミック電極29は、AlGaN層27の上に形成されていてもよい。   A first ohmic electrode 28 and a second ohmic electrode 29 are formed on the semiconductor layer stack 25 at a distance from each other. The first ohmic electrode 28 and the second ohmic electrode 29 form an ohmic junction with the channel region. In FIG. 7, in order to reduce the contact resistance, a part of the AlGaN layer is removed and the GaN layer is dug so that the first ohmic electrode 28 and the second ohmic electrode 29 are connected to the interface between the AlGaN layer 27 and the GaN layer 26. The form formed so that it may contact | connect is shown. Note that the first ohmic electrode 28 and the second ohmic electrode 29 may be formed on the AlGaN layer 27.

AlGaN層27の上における第1のオーミック電極28と第2のオーミック電極29との間の領域には、第1のp型半導体層30及び第2のp型半導体層31が互いに間隔をおいて形成されている。第1のp型半導体層30の上には第1のゲート電極21が形成され、第2のp型半導体層31の上には第2のゲート電極22が形成されている。第1のゲート電極21及び第2のゲート電極22はそれぞれパラジウム(Pd)と金(Au)とが積層されており、第1のp型半導体層30及び第2のp型半導体層31とオーミック接触している。さらに、AlGaN層27及びp型の半導体層30及び第2のp型半導体層31を覆うように窒化シリコン(SiN)からなる保護膜32が形成されている。この保護膜32を形成することにより、いわゆる電流コラプスの原因となる欠陥を補償し、電流コラプスを改善することが可能となる。第1のp型半導体層30及び第2のp型半導体層31と、AlGaN層27とによりPN接合がそれぞれ形成される。これにより、第1のオーミック電極28と第1のゲート電極21との間の電圧が例えば0Vでは、第1のp型GaN層30からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができる。同様に、第2のオーミック電極29と第2のゲート電極22との間の電圧が例えば0V以下のときには、第2のp型GaN層31からチャネル領域中に空乏層が広がるため、チャネルに流れる電流を遮断することができ、いわゆるノーマリーオフ動作をする半導体を実現している。   In the region between the first ohmic electrode 28 and the second ohmic electrode 29 on the AlGaN layer 27, the first p-type semiconductor layer 30 and the second p-type semiconductor layer 31 are spaced apart from each other. Is formed. A first gate electrode 21 is formed on the first p-type semiconductor layer 30, and a second gate electrode 22 is formed on the second p-type semiconductor layer 31. The first gate electrode 21 and the second gate electrode 22 are each formed by stacking palladium (Pd) and gold (Au), and the first p-type semiconductor layer 30 and the second p-type semiconductor layer 31 are ohmic. In contact. Further, a protective film 32 made of silicon nitride (SiN) is formed so as to cover the AlGaN layer 27, the p-type semiconductor layer 30 and the second p-type semiconductor layer 31. By forming the protective film 32, it is possible to compensate for a defect that causes so-called current collapse and to improve current collapse. The first p-type semiconductor layer 30 and the second p-type semiconductor layer 31 and the AlGaN layer 27 form PN junctions. As a result, when the voltage between the first ohmic electrode 28 and the first gate electrode 21 is 0 V, for example, the depletion layer spreads from the first p-type GaN layer 30 into the channel region. Can be blocked. Similarly, when the voltage between the second ohmic electrode 29 and the second gate electrode 22 is, for example, 0 V or less, a depletion layer spreads from the second p-type GaN layer 31 into the channel region, and therefore flows into the channel. A semiconductor capable of interrupting current and performing a so-called normally-off operation is realized.

以下、第1のオーミック電極28の電位をV1,第1のゲート電極21の電位をV2,第2のゲート電極22の電位をV3,第2のオーミック電極29の電位をV4とする。この場合において、V2がV1より1.5V以上高ければ、第1のp型半導体層30からチャネル領域中に広がる空乏層が縮小するため、チャネル領域に電流を流すことができる。同様にV3がV4よりも1.5V以上高ければ、第2のp型半導体層31からチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができる。第1のゲート電極21の下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第1のゲート電極21のしきい値電圧を第1のしきい値電圧とし、第2のゲート電極22の下側においてチャネル領域中に広がる空乏層が縮小し、チャネル領域に電流を流すことができるようになる第2のゲート電極22のしきい値電圧を第2のしきい値電圧とする。つまり、第1のしきい値電圧及び第2のしきい値電圧は、ともに1.5Vである。また、第1のp型半導体層30と第2のp型半導体層31との距離は、第1のオーミック電極28及び第2のオーミック電極29に印加される最大の電圧に耐えられるように設定されている。第1のオーミック電極28と第1のゲート電極21との間にゲート駆動信号(すなわち、第1ゲート端子への制御信号)を入力するようになっている。第2のオーミック電極29と第2のゲート電極22との間も同様にゲート駆動信号(すなわち、第2ゲート端子への制御信号)を入力するようになっている。なお、第1電極6は第1のオーミック電極28に接続され、第2電極7は第2のオーミック電極29に接続され、第1ゲート端子33は第1のゲート電極21に接続され、第2ゲート端子34は第2のゲート電極22に接続されている。(参考文献 T.Morita, et.al, IEEE International Electron Devices Meeting, pp. 865-868, December 2007)   Hereinafter, the potential of the first ohmic electrode 28 is V1, the potential of the first gate electrode 21 is V2, the potential of the second gate electrode 22 is V3, and the potential of the second ohmic electrode 29 is V4. In this case, if V2 is higher than V1 by 1.5V or more, the depletion layer extending from the first p-type semiconductor layer 30 into the channel region is reduced, so that a current can flow through the channel region. Similarly, if V3 is higher than V4 by 1.5V or more, the depletion layer extending from the second p-type semiconductor layer 31 into the channel region is reduced, and a current can flow through the channel region. The threshold voltage of the first gate electrode 21 at which the depletion layer extending in the channel region below the first gate electrode 21 is reduced and current can flow through the channel region is set to the first threshold value. The threshold voltage of the second gate electrode 22 at which the depletion layer extending into the channel region on the lower side of the second gate electrode 22 is reduced and the current can flow through the channel region is set to the value voltage. The threshold voltage is 2. That is, the first threshold voltage and the second threshold voltage are both 1.5V. The distance between the first p-type semiconductor layer 30 and the second p-type semiconductor layer 31 is set so as to withstand the maximum voltage applied to the first ohmic electrode 28 and the second ohmic electrode 29. Has been. A gate drive signal (that is, a control signal to the first gate terminal) is input between the first ohmic electrode 28 and the first gate electrode 21. Similarly, a gate drive signal (that is, a control signal to the second gate terminal) is input between the second ohmic electrode 29 and the second gate electrode 22. The first electrode 6 is connected to the first ohmic electrode 28, the second electrode 7 is connected to the second ohmic electrode 29, the first gate terminal 33 is connected to the first gate electrode 21, and the second The gate terminal 34 is connected to the second gate electrode 22. (Reference T. Morita, et.al, IEEE International Electron Devices Meeting, pp. 865-868, December 2007)

主開閉部11が非導通のとき、ゲート電極には制御部13からLowレベルの信号が印加されるが、主開閉部11の最低電位よりは整流部12のダイオード1個分だけ高い電位となる。ここで、主開閉部11の導通(閉状態)/非導通(開状態)を切り換えるしきい値が上記ダイオード1個分の電位よりも充分に高ければ、確実に非導通(開状態)を維持することができる。一方、主開閉部11の導通状態(閉状態)の場合は上述の動作を行う。そのため、数Vの制御信号で駆動される制御部にあって、高電圧の交流電源を直接制御することができる。また、このように電子移動度の高いHFETを用いることにより、2線式負荷制御装置の小型高容量化が実現できる。   When the main switching unit 11 is non-conductive, a low level signal is applied to the gate electrode from the control unit 13, but the potential is higher than the lowest potential of the main switching unit 11 by one diode of the rectification unit 12. . Here, if the threshold value for switching between conduction (closed state) / non-conduction (open state) of the main opening / closing part 11 is sufficiently higher than the potential of one diode, the non-conduction (open state) is surely maintained. can do. On the other hand, when the main opening / closing part 11 is in the conductive state (closed state), the above-described operation is performed. Therefore, the high voltage AC power supply can be directly controlled by the control unit driven by the control signal of several volts. Further, by using an HFET having a high electron mobility in this way, it is possible to realize a small and high capacity 2-wire load control device.

なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、少なくとも主開閉部11の主スイッチ素子11aは、双方向制御可能なトランジスタ素子で構成され、主開閉部11のゲート電極に制御信号を出力するフォトカプラ13f又は光MOSリレー13aなどの光絶縁素子と、光絶縁素子に入力される信号を制御するローパスフィルタ13bを備えていればよい。また、本発明は種々の変形が可能であり、例えば、主開閉部11を構成する主スイッチ素子11aは、双方向制御可能なスイッチ素子であればよく、複数個の単ゲートのトランジスタ素子で構成されているものであってもよい。複数個の単ゲートのトランジスタ素子で構成される場合は、縦型構造のトランジスタ素子であってもよいし横型構造のトランジスタ素子であってもよい。また、補助開閉部17を構成する補助スイッチ素子17aは、トライアックであってもよい。   The present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and at least the main switch element 11a of the main switching unit 11 is configured by a transistor element capable of bidirectional control, and a control signal is applied to the gate electrode of the main switching unit 11. An optical insulating element such as the photocoupler 13f or the optical MOS relay 13a to output and a low-pass filter 13b for controlling a signal input to the optical insulating element may be provided. The present invention can be modified in various ways. For example, the main switch element 11a constituting the main opening / closing portion 11 may be a switch element that can be controlled in both directions, and is configured by a plurality of single-gate transistor elements. It may be what has been done. In the case of a plurality of single-gate transistor elements, it may be a vertical transistor element or a horizontal transistor element. The auxiliary switch element 17a constituting the auxiliary opening / closing part 17 may be a triac.

また、ローパスフィルタ13bは、その構成要素としてのコンデンサの容量を勘案すると第1パルス出力部13cとフォトカプラ13f又は光MOSリレー13aとの間に介挿されている形態が望ましいが、フォトカプラ13f又は光MOSリレー13aと主開閉部11との間に介挿されていてもよい。すなわち、ローパスフィルタ13bは、第1パルス信号の立ち上がり時間を長くするように、第1パルス出力部13cから主開閉部11に至る経路に設けられていればよい。   In addition, the low-pass filter 13b is preferably inserted between the first pulse output unit 13c and the photocoupler 13f or the optical MOS relay 13a in consideration of the capacitance of the capacitor as its component, but the photocoupler 13f Alternatively, it may be interposed between the optical MOS relay 13 a and the main opening / closing part 11. That is, the low-pass filter 13b may be provided in a path from the first pulse output unit 13c to the main opening / closing unit 11 so as to lengthen the rising time of the first pulse signal.

1A 負荷制御装置
2 交流電源
3 負荷
11 主開閉部
11a 主スイッチ素子
12 整流部
13 制御部
13a 光MOSリレー(光絶縁素子)
13b ローパスフィルタ
13c 第1パルス出力部
13d 第2パルス出力部
13e 主制御部
13f フォトカプラ(光絶縁素子)
13g バッファ回路
14 第1電源部
15 第2電源部
16 第3電源部
17 補助開閉部
17a 補助スイッチ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A Load control apparatus 2 AC power supply 3 Load 11 Main switching part 11a Main switch element 12 Rectification part 13 Control part 13a Optical MOS relay (optical insulation element)
13b Low-pass filter 13c 1st pulse output part 13d 2nd pulse output part 13e Main control part 13f Photocoupler (optical insulation element)
13g Buffer circuit 14 1st power supply part 15 2nd power supply part 16 3rd power supply part 17 Auxiliary opening / closing part 17a Auxiliary switch element

Claims (5)

外部に接続された負荷への電流供給回路を制御する負荷制御装置であり、
トランジスタ構造のスイッチ素子を有し、負荷に対して電源の供給を制御する主開閉部と、
前記主開閉部における両端電圧を整流する整流部と、
サイリスタ構造のスイッチ素子を有し、前記主開閉部が非導通のときに負荷に対して電源の供給を制御する補助開閉部と、
前記主開閉部及び前記補助開閉部の開閉を制御する制御部と、
前記主開閉部の両端から前記整流部を介して電力供給され、前記制御部に安定した電圧を供給する第1電源部と、
前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、負荷への電力供給を停止しているときに、前記第1電源部への電源を供給する第2電源部と、
前記主開閉部又は前記補助開閉部が閉状態で、負荷への電力供給を行っているときに、前記第1電源部への電源を供給する第3電源部を備えた負荷制御装置において、
前記主開閉部のスイッチ素子は双方向制御可能なトランジスタ素子で構成され、
前記制御部は、前記主開閉部の制御電極に制御信号を出力する光絶縁素子と、前記光絶縁素子に入力される信号を制御するローパスフィルタとを有し、
前記ローパスフィルタを通って入力される信号に応じて前記光絶縁素子の出力側を導通又は遮断動作させることにより、前記主開閉部の制御電極に出力する制御信号をオン又はオフに制御することを特徴とする負荷制御装置。
A load control device that controls a current supply circuit to a load connected to the outside,
A main switching unit having a transistor-structure switch element and controlling supply of power to a load;
A rectifying unit for rectifying the voltage across the main switching unit;
An auxiliary opening / closing part having a switch element of a thyristor structure and controlling the supply of power to a load when the main opening / closing part is non-conductive;
A control unit that controls opening and closing of the main opening and closing unit and the auxiliary opening and closing unit;
A first power supply unit that is supplied with power from both ends of the main switching unit via the rectification unit and supplies a stable voltage to the control unit;
A second power supply unit that supplies power to the first power supply unit when power is supplied from both ends of the main switching unit via the rectification unit and power supply to the load is stopped;
In the load control device including a third power supply unit that supplies power to the first power supply unit when the main opening / closing unit or the auxiliary opening / closing unit is in a closed state and supplying power to the load,
The switch element of the main opening / closing part is composed of a bidirectionally controllable transistor element,
The control unit includes an optical insulating element that outputs a control signal to a control electrode of the main opening and closing unit, and a low-pass filter that controls a signal input to the optical insulating element,
The control signal output to the control electrode of the main opening / closing part is controlled to be turned on or off by conducting or blocking the output side of the optical insulating element according to the signal input through the low-pass filter. A characteristic load control device.
前記トランジスタ素子は、横型のトランジスタ構造で構成され、前記交流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続される第1電極及び第2電極と、前記第1電極及び第2電極の間に配置される制御電極を有し、
前記光絶縁素子から前記制御電極に制御信号が出力されることを特徴とする請求項1に記載の負荷制御装置。
The transistor element has a lateral transistor structure, and is disposed between a first electrode and a second electrode connected in series to the AC power supply and a load, and the first electrode and the second electrode, respectively. Having a control electrode,
The load control device according to claim 1, wherein a control signal is output from the optical isolation element to the control electrode.
前記制御電極及び光絶縁素子は2系統設けられ、
単一のローパスフィルタから前記2系統の光絶縁素子に同一の信号が入力されることを特徴とする請求項2に記載の負荷制御装置。
The control electrode and the optical insulating element are provided in two systems,
The load control device according to claim 2, wherein the same signal is input to the two systems of optical isolation elements from a single low-pass filter.
前記光絶縁素子は、トランジスタ出力型の素子によって構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の負荷制御装置。   The load control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical insulating element is configured by a transistor output type element. 前記光絶縁素子は、MOSFET出力型の素子によって構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の負荷制御装置。   The load control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical isolation element is configured by a MOSFET output type element.
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